Д.т.н. С.Д.Корнеев, профессор;
к.т.н. Л.А. Марюшин, доцент,
зав. кафедрой промышленной теплоэнергетики, ГОУ МГИУ;
А.В. Мараховский, ГИП АО «Единый Сервисный Центр»,
соискатель ГОУ МГИУ, г. Москва;
Е.Н. Трофимова, инженер, ЗАО «Русская металлургическая компания»,
г. Магнитогорск, соискатель ГОУ МГИУ
Задачи исследования
Данное исследование было направлено на повышение эффективности химической обработки теплопередающих коррозионностойких поверхностей после образования на них отложений с использованием готового реагента и комбинирующих составов. Способ обработки — безразборный, химический. Основным отличием метода является высокотемпературный режим и добавление кислот в основной состав: ортофосфорной (H3PO4) и азотной (HNO3) в небольших количествах, что позволило разрыхлить твердые отложения из-за переменной активности взаимодействия.
Химическая промывка оборудования в сфере теплоэнергетики — это часто встречающаяся процедура обработки поверхностей теплообмена с целью отделения и последующего вымывания отложений и грязи через рабочие каналы при помощи химических реагентов. В нормативных документах и технической литературе в основном приводятся табличные данные по количеству и наименованию реагентов в зависимости от конкретного вида отложений, например, при наличии железоокисных отложений с содержанием кальция менее 10% при количестве отложений до 1500 г/м2 применяют H2SO4 [2], а при обработке коррозионностойких сталей нельзя использовать HCI (соляную кислоту). Или производители в инструкциях к оборудованию предлагают дорогостоящие готовые составы.
К сожалению, в обычных условиях эксплуатации теплоэнергетического оборудования не всегда есть возможность провести какие-то предварительные процедуры и анализы, поэтому авторы, опираясь на опыт коллег, пошли простым путем: есть загрязненное оборудование и необходимо провести его очистку доступным способом.
Подготовка к эксперименту
В качестве опытного образца был выбран пластинчатый теплообменник, демонтированный из системы ГВС теплового пункта Московской области.
Данный аппарат был демонтирован из теплового пункта по причине недостаточного нагрева горячей воды в часы повышенного разбора: температурный режим нагреваемого контура в часы повышенного расхода составлял 48 ОС, при этом температура греющего контура на входе составляла 110 ОС, а на выходе 76 ОС. Кроме того, обнаружен перепад давления на нагреваемом контуре — он увеличен почти втрое по сравнению с паспортными данными: с 0,26 кг/см2 до 0,7 кг/см2. Предположительно, ухудшение теплообмена и увеличение гидравлического сопротивления явились следствием образования отложений. По регламенту теплообменный аппарат подвергается очистке (химической промывке) 1 раз в год по 3-4 ч на контур. При подготовке к исследованию удалось выяснить, что последний раз его промывали порядка 6 месяцев назад. Кроме того, от представителей эксплуатации стало известно, что в исходной воде на ГВС содержание железа превышает норму, но документального подтверждения нет — информация поступила в устном виде.
Для подтверждения загрязнения поверхностей теплообмена (пластин) аппарат был разобран. Он оказался достаточно сильно загрязнен: на пластинах обнаружен налет на греющем контуре и отложения коричневого (ржавого) цвета на нагреваемом контуре. По площади поверхности налет расположен равномерно, ближе к задней стенке теплообменника плотность налета увеличивается, отложения имеют толщину не более 1 мм и расположены хаотично (рис. 1).
Рис. 1. Пластинчатый теплообменник в разобранном виде.
Большое значение имеет характер отложений и их состав, по которому должен подбираться реагент, т.к. время и результат очистки зависит от того, как будет взаимодействовать реагент с отложениями и как будет проходить реакция. Есть несколько вариантов выбора реагента, одним из которых является проведение химического анализа отложений и подбор подходящего реагента [1], опираясь на данные из нормативной документации, но это требует времени и специальных возможностей, в отсутствие чего обычно берется готовый реагент, которым и пытаются отмыть оборудование. В таком случае оптимальным является наличие нескольких реагентов, когда есть возможность их комбинации при наблюдении за течением реакции. Во многих случаях улучшает качество реакции добавление в исходный состав ортофосфорной или азотной кислоты, в объеме не более 5%.
В ходе исследования планировалось подключить к аппарату установку по промывке, запустить циркуляцию реагента и отслеживать течение реакции по следующим параметрам: состав и цвет жидкости в емкости установки по промывке, изменение уровня pH, наличие пены, время реакции и температурные режимы. В нашей работе не задействованы приборы для измерения расхода, и есть возможность опираться только на параметры по давлению и температуре. Для сравнения будет использован один температурный режим в одном и том же тепловом пункте — это обычная ситуация, т.к. тепловые вычислители устанавливаются на входе в тепловой пункт. Расчетные параметры теплоносителя 130-70 ОС [7].
Обработка теплообменника проводится при определенных условиях, ведь кроме подготовки оборудования [1] необходима организация подачи горячей воды, с температурой до 60 ОС, т.к. данное условие позволяет ускорить течение реакции, а также улучшить качество обработки, наличие емкости или дренажа для утилизации реагента, наличие вентиляции, защитных средств и т.д. — в соответствии с инструкцией по безопасному ведению работ.
При проведении исследования использовалось заводское оборудование для промывки, а также прибор для определения уровня pH. В качестве реагента было выбрано средство для очистки теплообменных поверхностей, содержащее в своем составе основу — ортофосфорную кислоту (до 30%), воду: 30%, фосфонаты: 5-15%, лимонную кислоту: 5-10%, смесь катионного и неионогенного ПАВ: 5% и карбоксилатные ингибиторы коррозии: 5%. Промывочные средства подобного состава широко представлены на рынке под различными наименованиями. При его использовании предполагается разрушение пограничного слоя отложений и наростов.
Проведение эксперимента
На первом этапе к теплообменнику подключается установка по промывке по замкнутому контуру (рис. 2).
Рис. 2. Установка для промывки теплообменника.
Резервуар установки наполняется чистой водой в количестве порядка 40% от максимального уровня с температурой 60 ОС (рекомендуемая температура мойки составляет от 40 до 60 ОС), запускается циркуляция. После запуска необходимо еще добавить воды до уровня примерно 50% от объема бака.
Обычное соотношение компонентов чистящего раствора для удаления карбоната кальция и других видов неорганической накипи составляет 1 часть моющего средства и 9 частей воды [1]. Оптимальную концентрацию средства рекомендуется подбирать дополнительно в зависимости от характера отложений, в ряде случаев возможно использование менее концентрированных рабочих растворов. Обычное соотношение компонентов чистящего раствора для удаления оксидов металлов и ржавчины составляет 1 часть моющего средства и 8 частей воды [2]. Для получения лучших результатов чистки замасленных, жирных и обросших микробиологической пленкой поверхностей к моющему средству может быть добавлено более сильное химическое вещество такого же направления (примерно 1-5 % по объему от общего количества).
В данном случае получилась система с циркулирующим контуром объемом 24 л, в которую необходимо добавить реагент, примерно 10-12% от объема, что составляет порядка 2,5 л, при этом уровень рН равен 2.
Спустя некоторое время после циркуляции моющего раствора в резервуаре появляется пена и грязь, цвет состава меняется на грязно-коричневый. Следующий замер уровня кислотности, сделанный через 20 мин, показывает повышение значения до 2,8. Во время процедуры безразборной мойки величина pH чистящего раствора по рекомендациям не должна превышать 2,5. Для снижения величины pH в чистящий раствор следует добавлять большее количество химического вещества. На основании этого было принято решение добавить ортофо- сфорную кислоту в объеме 0,5 л. Реакция продолжается, кислотность 1,8, t=+43 ОС. Рекомендуемое время безразборной мойки составляет от 2 до 6 ч, поэтому продолжаем промывать еще 1 ч, при этом уровень рН сначала понемногу поднимался, пока не дошел до значения 2,9 при t=+32 ОС. Возникла необходимость снизить уровень pH, и мы добавили 200 г азотной кислоты, которая имеет не очень приятный запах, после чего снова появляется обильная грязная пена, pH меняется на 2,1, добавляем 3 л горячей воды с t=+80 ОС, тем самым повышая температуру раствора до 38 ОС. Через 1 ч уровень pH достиг 2,7 при t=+28 ОС и остановился. Для проверки добавляем 200 г промывочного раствора, уровень pH вначале упал до 2,2, через 10 мин изменился до 2,3 и остановился, что теоретически означает отсутствие отложений. Раствор в конце операции имеет мутно-коричневый цвет с наличием пены на поверхности. После каждого добавления реагента мы переключаем поток на обратный ход на некоторое время 5-10 мин.
После окончания обработки оборудования кислотным составом, необходимо постепенно нейтрализовать жидкость, по возможности предварительно слив ее в отдельную емкость. Для нейтрализации раствора постепенно добавляется химическое вещество противоположного действия (щелочь или сода Na2CОз, мы использовали едкий натр NaOH 40%) до тех пор, пока величина уровня pH удаляемого раствора не окажется в пределах от 6 до 8, т.к. в случае быстрого протекания процесса нейтрализации или при использовании лишнего количества нейтрализующего вещества существует возможность возникновения химического осаждения.
Результаты обработки
Основным критерием успешной очистки поверхностей является малоизменяемый уровень рН раствора (2,3 в нашем случае) после интенсивных изменений во время промывки. Это как раз указывает на то, что отложения перестали взаимодействовать с реагентом по причине их отсутствия. Так же необходимо учесть, что при переключении потоков на установке эффективность вымывания элементов отслоившихся отложений увеличивается. Переключения лучше осуществлять после очередного добавления реагентов и в заключении работы.
При промывке было замечено, что после очередного добавления усиливающего состава (кислоты) появляется обильная грязная пена и потемнение раствора, что указывает на бурную реакцию после ее ослабления.
Температурный режим, выбранный в диапазоне 60-28 ОС (60 ОС — это предельная температура работы установки), позволил максимально сократить время очистки за счет увеличения разницы между температурными расширениями металла и отложений, что, в свою очередь, дало возможность добиться отслоений наростов и появлению трещин и микрозазоров, куда в последствии попадает реагент.
После проведения химической промывки аппарата, в течение 1 часа по греющему контуру и 2,5 часов по нагреваемому контуру с последующей проливкой чистой водой 7-10-кратным объемом, оборудование можно подключать к системе.
Включение аппарата происходило уже на его исходном месте в ИТП, повторная разборка не проводилась т.к. мы были уверены в результате. Включение следует проводить последовательно, а именно: поочереди наполнить оба контура, по возможности обратным давлением, спустить воздух и плавно открыть арматуру на трубопроводах. При необходимости теплообменник можно опрессовать давлением 1,25 от рабочего. После включения и прогрева, дождавшись циркуляции в теплообменнике, определяются параметры теплоносителя: температура по нагреваемому контуру с 48 ОС поднялась до 59 ОС, что практически соответствует паспортным данным. Следует заметить, что температура греющего контура на входе составила 110 ОС, на выходе 70 ОС, что так же соответствует паспортным данным. Режим по давлению при этом также изменился: перепады не превышают 3 м вод. ст. [7], следовательно, температурный и гидравлический режим нагреваемого контура пришел в соответствие [4].
Выводы
1. При эксплуатации теплообменного оборудования, особенно при отсутствии или недостаточно качественной химической подготовке теплоносителей, очистка теплообменных поверхностей с помощью реагентов позволяет предотвратить аварийные ситуации и экономить энергоресурсы.
2. Температурные режимы при химических реакциях имеют большое значение, т.к. тепловые расширения металлов и отложений разные, и даже незначительное увеличение разницы максимальной и минимальной температуры может влиять положительно на результат работ.
3. Реагенты и частоту обслуживания необходимо выбирать опытным путем, исходя из степени загрязнения оборудования, скорости образования и состава отложения.
4. Комбинация нескольких одновекторных реагентов и температурная активность позволяет усилить реакцию в течение процесса очистки и дает возможность сократить время проведения работ по химической обработке поверхностей теплообмена на 15-25%.
5. Химическая безразборная промывка позволяет сократить затраты на комплексное ТО оборудования (разборная очистка пластин) в связи с регламентом заводов-изготовителей, которые подразумевают при вскрытии аппаратов менять резиновые уплотнения, а стоимость одного уплотнения может доходить до 1000 руб.
6. При эксплуатации теплообменного оборудования необходимо контролировать не только температурные режимы, но и параметры по давлению на входе и выходе рабочих контуров, также обратить внимание на исправность манометрических кранов. Эти данные помогут отобразить реальное состояние теплообменных поверхностей и не допустить закупоривания рабочих каналов, что неизбежно приведет к дорогостоящему разборному обслуживанию. Нужно обратить внимание при приемке оборудования в эксплуатацию на следующий момент: на теплообменных аппаратах должны быть установлены показывающие манометры и термометры, которые устанавливаются на входе и выходе трубопроводов греющей и нагреваемой среды для каждой ступени водоподогревателей систем горячего водоснабжения и отопления [6].
7. Выбранный нами реагент применяется в подобных работах специалистами по следующим причинам: данное средство относительно доступно по цене, имеет комбинацию составляющих, которая во многих случаях при химической обработке теплообменных поверхностей приносит положительный результат и его также удобно использовать в качестве базовой основы для дальнейшего комбинирования.
Литература
1. СТП 09110.37.409-09 Стандарт ГПО «Белэнерго» Проведение механических и химических очисток теплообменников.
2. Типовая инструкция по эксплуатационным и химическим очисткам водогрейных котлов: РД 34.37.402-96.
3. Методические указания по эксплуатационному контролю за состоянием сетевых подогревателей: РД 34.40.505 (МУ 34-70-104-85).
4. Тарадай А.М., Коваленко Л.М., Гурин Е.П. Контроль качества химической промывки от загрязнения теплообменных аппаратов//Новости теплоснабжения, 2002 г., № 10 (26), с. 47-49.
5. Тарадай А.М., Гуров О.И., Коваленко Л.М. Под ред. Зингера Н.М. Пластинчатые теплообменные аппараты. — Харьков: Прапор, 1995, 60 с.
6. Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок, утв. Приказом Минэнерго РФ от 24.03.2003 г. № 115.
7. Спецификация на пластинчатый теплообменник.